JP2023146341A

JP2023146341A - 分散電源システム

Info

Publication number: JP2023146341A
Application number: JP2022053475A
Authority: JP
Inventors: 知仁後川; Tomohito Atokawa; 隆武田; Takashi Takeda; 翠野々垣; Midori Nonogaki; 智大津; Satoshi Otsu
Original assignee: Ntt Anode Energy Corp
Current assignee: Ntt Anode Energy Corp
Priority date: 2022-03-29
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2023-10-12

Abstract

【課題】系統依存度の低い水素を活用した分散電源システムの一例を開示する。【解決手段】ＥＭＳ１１は、「上げＤＲ制御モード」及び「下げＤＲ制御モード」を実行可能である。「上げＤＲ制御モード」は、需要応答として「電力消費を増やす旨の要請上げＤＲ」がされた場合であって、水素貯蔵装置９に貯蔵余裕がある場合には、系統電力を買電し、水素生成装置７にて水素を生成する制御モードである。「下げＤＲ制御モード」は、需要応答として「電力消費を抑制すべき旨の要請下げＤＲ」がされた場合には、水素貯蔵装置９に貯蔵された水素を利用して燃料電池装置５にて発電された電力を供給する制御モードである。これにより、当該分散電源システムは、「上げＤＲ」に基づく「上げＤＲ制御モード」、及び「下げＤＲ」に基づく「下げＤＲ制御モード」が実行可能となる。したがって、需要応答に対応しつつ、分散電源システムを有効に活用することが可能となる。【選択図】図１

Description

本開示は、再生可能エネルギーを利用した分散電源システムに関する。

例えば、特許文献１には、「太陽光発電装置で発電された電力によって水素を生成する水素製造装置と、当該水素を貯蔵する吸蔵合金タンクと、当該水素を用いて発電する燃料電池とを備え、気象情報から太陽光発電出力予測を行って水素製造装置及び燃料電池の制御を行う」旨が記載されている。

特開２０２１－２３０２８号公報

本開示は、系統依存度の低い水素を活用した分散電源システムの一例を開示する。

分散電源システムは、例えば、以下の構成要件のうち少なくとも１つを備えることが望ましい。

すなわち、当該構成要件は、水の電気分解を利用して水素を生成する水素生成装置（７）と、水素生成装置（７）にて生成された水素を貯蔵する水素貯蔵装置（９）と、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電可能な燃料電池装置（５）と、需要応答に応じて水素生成装置（７）及び燃料電池装置（５）の作動を制御可能な制御部（１１）であって、「上げＤＲ制御モード」及び「下げＤＲ制御モード」を実行可能な制御部（１１）とである。

そして、「上げＤＲ制御モード」は、需要応答として「電力消費を増やす旨の要請」がされた場合であって、水素貯蔵装置（９）に貯蔵余裕がある場合、つまり水素貯蔵装置（９）に更に水素を貯蔵することが可能な場合に、系統電力を買電し、水素生成装置（７）にて水素を生成する制御モードである。

「下げＤＲ制御モード」は、需要応答として「電力消費を抑制すべき旨の要請」がされた場合に、水素貯蔵装置（９）に貯蔵された水素を利用して燃料電池装置（５）にて発電された電力を供給する制御モードである。

これにより、当該分散電源システムは、「上げＤＲ」に基づく「上げＤＲ制御モード」、及び「下げＤＲ」に基づく「下げＤＲ制御モード」が実行可能となる。したがって、需要応答に対応しつつ、分散電源システムを有効に活用することが可能となる。

因みに、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的構成等との対応関係を示す一例であり、本開示は上記括弧内の符号に示された具体的構成等に限定されない。

第１実施形態に係る分散電源システムを示す図である。Ａ及びＢは、電力需給を示すグラフである。太陽電力、燃料電池装置５の発電量及び水素貯蔵量等の変化を示すチャートである。

以下の「発明の実施形態」は、本開示の技術的範囲に属する実施形態の一例を示すものである。つまり、特許請求の範囲に記載された発明特定事項等は、下記の実施形態に示された具体的構成や構造等に限定されない。本開示に示された分散電源システムは、少なくとも符号が付されて説明された構成要素を備える。

（第１実施形態）
＜１．分散電源システムの構成＞
本実施形態に係る分散電源システム１は、図１に示されるように、太陽光発電装置３、パワーコンディショナ３Ａ、燃料電池装置５、水素生成装置７、水素タンク９及びエネルギー管理装置（以下、ＥＭＳと記す。）１１等を少なくとも備える。

太陽光発電装置３は、再生可能エネルギーとして太陽光を利用する発電装置の一例である。パワーコンディショナ（Power Conditioning System：以下、ＰＣＳと略す。）３Ａは、太陽光発電装置３の発電作動を制御するとともに、発電された電力を所定電圧の交流に変換する。

なお、本実施形態に係るＰＣＳ３Ａは、「最大電力点追従（Maximum Power Point Tracking）制御」を実行する。最大電力点追従制御は、発電時に出力が最大化するように制御する手法である。

水素生成装置７は、太陽光発電装置３で発電された電力（以下、太陽電力という。）を利用して水素を生成する。具体的には、水素生成装置７は、太陽電力にて水を水素と酸素とに電気分解することにより水素を生成する。

水素タンク９は、水素生成装置７で生成された水素を貯蔵する水素貯蔵装置の一例である。燃料電池装置５は、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する。具体的には、燃料電池装置５は、水素タンク９に貯蔵された水素と空気中の酸素とを利用して発電を行う。

ＥＭＳ１１は、分散電源システム１の作動を制御する制御部の一例である。具体的には、ＥＭＳ１１は、少なくとも燃料電池装置５、水素生成装置７及びＰＣＳ３Ａ等の作動を制御する。

本実施形態に係るＥＭＳ１１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等を有するコンピュータにて構成されている。そして、ＣＰＵにてソフトウェアが実行されることにより、以下のＦＣ制御等が実現される。なお、当該ソフトウェアは、ＲＯＭ等の不揮発性記憶部に予め記憶されている。

＜２．ＥＭＳの制御作動＞
＜２．１ＦＣ制御＞
ＥＭＳ１１は、燃料電池装置５の制御（以下、ＦＣ制御という。）が実行可能である。ＦＣ制御は、太陽光発電装置３の発電量から負荷側の消費電力（以下、需要電力ともいう。）を減じた値（以下、需給差ΔＤという。）を利用した制御である。

なお、ＥＭＳ１１は、ＰＣＳ３Ａから信号を利用して太陽光発電装置３の発電量を把握する。また、分散電源システム１は、系統電力、太陽光発電装置３及び燃料電池装置５のうち少なくとも一方から電力を負荷側に供給可能である。

ＦＣ制御では、第１ＦＣ制御、第２ＦＣ制御及び第３ＦＣ制御のいずれかが実行される。第１ＦＣ制御は、需給差ΔＤが負の値である場合に実行される制御であって、燃料電池装置５にて発電した電力を負荷側に供給する。

つまり、第１ＦＣ制御では、少なくとも太陽光発電装置３及び燃料電池装置５から負荷側に電力が供給される。そして、太陽光発電装置３及び燃料電池装置５から供給される電力で需要電力を賄うことができなくなったときには、系統電力も供給される。

第２ＦＣ制御は、需給差ΔＤが予め決められた正の値以下である場合に実行される制御であって、燃料電池装置５の電極触媒の活性を維持した状態で当該燃料電池装置５の発電を停止させる制御である。

つまり、第２ＦＣ制御は、太陽光発電装置３が供給可能な電力で需要電力を賄うことが可能な場合に実行される。なお、太陽光発電装置３が供給可能な電力で需要電力を賄うことができなくなった場合には、燃料電池装置５が起動され、当該燃料電池装置５からも電力が供給される。

第３ＦＣ制御は、需給差ΔＤが予め決められた正の値より大きい場合に実行される制御であって、燃料電池装置５の活性を維持することなく燃料電池装置５の発電を停止させる制御である。

このため、第３ＦＣ制御が実行されると、ＥＭＳ１１が燃料電池装置５の起動指令を発しても、燃料電池装置５は即時に発電を開始することができない。したがって、上記の「予め決められた正の値」は、燃料電池装置５の起動指令後、発電が開始するまでに必要な時間が考慮された値である。

また、ＥＭＳ１１は、需給差ΔＤが負の値である場合には、太陽光発電装置３にて発電した電力の全てを負荷側に供給し、不足する電力を燃料電池装置５から負荷側に供給させる。なお、燃料電池装置５からの電力供給開始後も電力が不足する場合には、系統電力も供給される。

そして、需給差ΔＤが正の値である場合には、ＥＭＳ１１は、水素生成装置７にて水素を生成させるともに、生成された水素を水素タンク９に貯蔵させる。なお、ＥＭＳ１１は、水素タンク９が貯蔵上限状態となるまで水素の生成及び貯蔵を実行させる。

＜２．２需要応答制御（ＤＲ制御）＞
需要応答制御とは、電力会社等から要請（デマンドレスポンス（Demand Response）：需要応答）に基づく制御である。なお、電力会社等から需要応答としては、いわゆる「上げＤＲ」及び「下げＤＲ」がある。

因みに、「上げＤＲ」とは、電力需要に比べて供給電力が多いときに、電力の消費を増やす需要応答である。「下げＤＲ」とは、電力需要が多く電力不足のおそれがあるときに、電力の消費を抑える需要応答である。

そして、本実施形態に係るＥＭＳ１１は、需要応答制御として、「上げＤＲ」に基づく「上げＤＲ制御モード」、及び「下げＤＲ」に基づく「下げＤＲ制御モード」が実行可能である。

＜上げＤＲ制御モード＞
上げＤＲ制御モードは、需要応答として「電力消費を増やす旨の要請（上げＤＲ）」がされた場合に実行される制御モードであって、水素タンク９に貯蔵余裕がある場合に、系統電力を買電し、水素生成装置７にて水素を生成する制御である。

つまり、上げＤＲ制御モードの実行時においては、少なくとも系統電力を利用して水素の生成が実行される。換言すれば、上げＤＲ制御モードの実行時においては、系統電力及び太陽電力を利用した水素の生成、又は系統電力のみを利用した水素の生成が実行される。

なお、本実施形態に係るＥＭＳ１１は、需要電力を可能な限り太陽電力で賄うように制御する。したがって、買電する系統電力は、水素生成装置７に必要な電力と需要電力との和から太陽電力が控除された値となる（図２Ａ参照）。

＜下げＤＲ制御モード＞
下げＤＲ制御モードは、需要応答として「電力消費を抑制すべき旨の要請（下げＤＲ）」がされた場合に実行される制御モードであって、水素タンク９に貯蔵された水素を利用して燃料電池装置５にて発電された電力を負荷側に供給する制御である。

つまり、下げＤＲ制御モードの実行時においては、太陽電力のみで需要電力を賄うことができない場合に、燃料電池装置５が負荷側に電力を供給することにより、買電する系統電力の低減を図る制御モードである（図２Ｂ参照）。なお、太陽電力と燃料電池装置５による電量との和により、需要電力を賄うことができる場合には、ＥＭＳ１１は、系統電力を買電しない。

＜３．本実施形態に係る分散電源システムの特徴＞
本実施形態に係る分散電源システム１は、「上げＤＲ」に基づく「上げＤＲ制御モード」、及び「下げＤＲ」に基づく「下げＤＲ制御モード」が実行可能である。したがって、需要応答に対応しつつ、太陽光発電装置３等の分散電源を有効に活用することが可能となる。

本実施形態に係る分散電源システム１では、太陽電力を利用して水素を生成し、当該水素を利用して燃料電池装置５で発電する。換言すれば、本実施形態に係る分散電源システム１では、太陽光発電装置３の余剰電力で生成した水素を、燃料電池装置５を介してバックアップ電源として活用できる。

当該分散電源システム１では、需給差ΔＤが予め決められた正の値以下である場合には、燃料電池装置５の電極触媒の活性を維持した状態（以下、スタンバイ状態という。）で燃料電池装置５の発電を停止させる。

これにより、太陽光発電装置３が供給可能な電力で需要電力を賄うことができなくなった場合であっても、スタンバイ状態であるので、即時に燃料電池装置５からも電力を負荷側に供給することができ得る。

当該分散電源システム１では、需給差ΔＤが予め決められた正の値より大きい場合には、スタンバイ状態を維持することなく燃料電池装置５の発電を停止させる。これにより、スタンバイ状態を維持するに必要な電力の消費を抑制できる。

当該分散電源システム１では、需給差ΔＤが負の値である場合には、太陽光発電装置３にて発電した電力の全てを負荷側に供給するので、系統電力から負荷側に供給される電力が大きくなることが抑制され得る。

そして、需給差ΔＤが正の値である場合には、ＥＭＳ１１は、水素生成装置７にて水素を生成させるともに、生成された水素を水素タンク９に貯蔵させるので、太陽光発電装置３の余剰電力を有効に活用でき得る。

（第２実施形態）
本実施形態に係るＥＭＳ１１は、需要電力の消費予測、気象データに基づく燃料電池装置５の発電量及び水素の生成量（水素貯蔵量）の予測（計画）、並びに電力会社等からの「上げＤＲ」又は「下げＤＲ」の要請の予測をしながら、分散電源システム１の作動を制御する。

なお、図３は、上記予測機能を実行した場合の太陽電力、燃料電池装置５の発電量及び水素貯蔵量等の変化を示すチャートである。図３に示されるように、ＥＭＳ１１は、電力会社からの「上げＤＲ」又は「下げＤＲ」を契機として太陽電力、燃料電池装置５の発電量及び水素貯蔵量等を変化させる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態に係る水素貯蔵装置は、水素を圧縮して貯蔵する水素タンク９にて構成されていた。しかし、本開示はこれに限定されない。すなわち、当該開示は、例えば、水素吸蔵合金を有する水素貯蔵装置、又は水素を液化して貯蔵する水素タンク等であってもよい。

なお、水素吸蔵合金にて水素を貯蔵する構成においては、水素吸蔵合金を着脱自在なカートリッジ方式とし、当該水素吸蔵合金カートリッジが容易に交換可能な構成であることが望ましい。

上述の実施形態に係る水素貯蔵装置は、水素生成装置７にて生成された水素を貯蔵する構成であった。しかし、本開示はこれに限定されない。すなわち、当該開示は、例えば、他の水素生成装置にて生成された水素を充填可能な構成であってもよい。

つまり、日照不足等を原因として水素生成装置７の稼働時間が低下した場合には、他の水素生成装置にて生成された水素を充填することにより、太陽光発電装置３での発電量の低下を補う構成であってもよい。

上述の実施形態に係るＥＭＳ１１は、ＰＣＳ３Ａからの信号を利用して太陽光発電装置３の発電量を把握した。しかし、本開示はこれに限定されない。すなわち、当該開示は、例えば、ＰＣＳ３Ａからの信号に加えて、日射予測も考慮して太陽光発電装置３の発電量を予測把握してもよい。

上述の実施形態では、燃料電池装置５で発生する熱を利用していなかった。しかし、本開示はこれに限定されない。すなわち、当該開示は、例えば、燃料電池装置５で発生する熱を蓄熱し、当該熱を他の用途に用いてもよい。

上述の実施形態では、再生可能エネルギーを利用した発電装置として太陽光発電装置を用いた。しかし、本開示はこれに限定されない。すなわち、当該開示は、再生可能エネルギーを利用した発電装置として、例えば、風力発電装置や地熱発電装置を用いてもよい。

上述の実施形態では、太陽光発電装置３で発生した余剰電力の全てを水素の生成に用いた。しかし、本開示はこれに限定されない。すなわち、当該開示は、例えば、余剰電力の一部をバッテリやキャパシタに蓄電する構成であってもよい。

上述の実施形態に係る燃料電池装置５は、空気中の酸素を利用して発電した。しかし、本開示はこれに限定されない。すなわち、当該開示は、例えば、水素生成装置７にて水素が生成される際に発生する酸素を貯蔵する酸素貯蔵装置を設け、当該酸素貯蔵装置に貯蔵された酸素を利用して発電してもよい。

さらに、本開示は、上述の実施形態に記載された開示の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されない。したがって、上述した複数の実施形態のうち少なくとも２つの実施形態が組み合わせられた構成、又は上述の実施形態において、図示された構成要件もしくは符号を付して説明された構成要件のうちいずれかが廃止された構成であってもよい。

１… 分散電源システム
３… 太陽光発電装置
３Ａ… パワーコンディショナ
５… 燃料電池装置
７… 水素生成装置
９… 水素タンク
１１…ＥＭＳ

Claims

水の電気分解を利用して水素を生成する水素生成装置と、
前記水素生成装置にて生成された水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電可能な燃料電池装置と、
需要応答に応じて前記水素生成装置及び前記燃料電池装置の作動を制御可能な制御部とを備え、
前記制御部は、
需要応答として「電力消費を増やす旨の要請」がされた場合であって、前記水素貯蔵装置に貯蔵余裕がある場合には、系統電力を買電し、前記水素生成装置にて水素を生成する「上げＤＲ制御モード」、及び
需要応答として「電力消費を抑制すべき旨の要請」がされた場合には、前記水素貯蔵装置に貯蔵された水素を利用して前記燃料電池装置にて発電された電力を供給する「下げＤＲ制御モード」
が実行可能である分散電源システム。